EP0223207A2 - Method and apparatus for the regulation of a turbo compressor for preventing surge - Google Patents

Method and apparatus for the regulation of a turbo compressor for preventing surge Download PDF

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EP0223207A2
EP0223207A2 EP86115791A EP86115791A EP0223207A2 EP 0223207 A2 EP0223207 A2 EP 0223207A2 EP 86115791 A EP86115791 A EP 86115791A EP 86115791 A EP86115791 A EP 86115791A EP 0223207 A2 EP0223207 A2 EP 0223207A2
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EP
European Patent Office
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controller
blow
line
signal
correction signal
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EP0223207B1 (en
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Wilfried Dipl.-Ing. Blotenberg
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MAN Gutehoffnungshutte GmbH
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MAN Gutehoffnungshutte GmbH
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Publication of EP0223207A3 publication Critical patent/EP0223207A3/en
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D27/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or pumping systems specially adapted for elastic fluids
    • F04D27/02—Surge control
    • F04D27/0207—Surge control by bleeding, bypassing or recycling fluids

Definitions

  • the invention relates to a device for regulating a turbo compressor, of the type specified in the preamble of claim 1.
  • a device of this type is known from US Pat. No. 4,142,838.
  • a surge limit line can be defined in the characteristic map of the compressor, which separates the stable from the unstable range.
  • a blow-off line is defined in the map, which runs at a safety distance from the surge limit line.
  • the current operating point of the compressor in the map is recorded, and when the operating point approaches the blow-off line, the regulator opens a blow-off or blow-off valve connected to the compressor outlet more or less in order to lower the final pressure before the operating point approaches the unstable area.
  • this regulation does not respond quickly enough to changes in the working point so that the working point can cross the blow-off line and possibly reach the surge limit line.
  • a safety line which may be identical to the blow-off line or may lie between this and the surge line, an additional signal is generated which controls a rapid, complete or partial opening of the blow-off valve.
  • the invention has for its object to develop a device of the type mentioned so that a delay-free action of the correction signal on the relief valve is achieved with simple means, without special measures for subsequent compensation of the correction signal are necessary, and without the operating point unnecessarily long beyond the blow-off line.
  • the correction signal By applying the correction signal directly to the integral part of the controller, the correction signal is passed on without delay to the controller output in order to cause the relief valve to open quickly.
  • the controller output signal immediately assumes at least approximately the value that it must have after the fault has ended, i.e. there is no longer a compensation time during which the controller has to readjust to the new value via the compressor system working beyond the blow-off line.
  • the correction signal is fed to the integral part as a control signal and the integration time constant (readjustment time) is changed as a function of the position of the operating point. This ensures that the controller responds quickly in critical operating situations, since the reset time of the controller is reduced if the safety line is exceeded.
  • the output signal Y of an integral proportional controller is a function of the integration time constant (reset time) T N , the proportional gain KP and the control difference X d :
  • control difference X d ie the distance between the working point and the blow-off line, is relatively small in the vicinity of the blow-off line, and consequently the change in the controller output signal Y takes place only slowly. However, this contradicts the requirement that the controller should react quickly when the blow-off line is exceeded.
  • a correction variable is therefore switched to the integral part of the controller when the blow-off line is exceeded, so that the output of the controller changes quickly and the downstream blow-off valve is triggered accordingly quickly.
  • the pressure difference in front of and behind a throttle orifice is measured by sensors 3, 5 and an actual value for the suction-side throughput V is formed therefrom in a transmitter 7.
  • a sensor 9 with transmitter 11 detects the final pressure P of the compressor.
  • the computer 13 determines the distance between P and V defined operating point from the blow-off line A and generates a desired value signal according to this distance, which is compared in a difference element 17 with the actual value signal to form an input signal for the controller 10.
  • This comprises at least a proportional part 10a and an integral part 10b and can also have a differential part 10c.
  • the output signal of the controller 10 controls a relief valve 19 branching off from the compressor output.
  • the computer 13 additionally generates a signal which in a signal shaping stage 21 generates a correction signal, e.g. in the form of one or more pulses which are input as an input signal into the integral part 10b of the controller.
  • a correction signal e.g. in the form of one or more pulses which are input as an input signal into the integral part 10b of the controller.
  • the signal shaping part 21 can be designed such that it generates the correction signal as long as the working point is to the left of the safety or blow-off line. However, it is also possible for the signal shaping stage 21 to generate a correction pulse of a defined, adjustable duration. Several pulses can also be generated in succession that cause a change in the integrator content in several stages of adjustable height in adjustable time intervals.
  • the influence of the correction signal can thus be made dependent not only on whether the safety line is crossed, but also on how far and / or at what speed it is exceeded. This influence can in particular be non-linear and can also be limited to changes with only one sign.
  • the pulse height, the pulse width, the pulse spacing or the pulse-pause ratio and / or the time constant of the correction signal can be varied depending on the position of the operating point in the characteristic diagram.
  • the correction signal is not additionally applied to the integral part of the controller, but rather serves as a control signal for changing the reset time T N.
  • the reset time T N is always adjusted according to the requirements so that there is always an optimal adjustment of the controller output signal Y.
  • the adjustment time T N is adjusted by means of a control unit 25 and can be carried out in various ways.
  • a shorter reset time is reached when a limit line (safety line) is reached near the blow-off line. If the operating point crosses this line in the opposite direction (towards the safe map area), the system switches back to the original reset time, whereby it may be necessary to provide a hysteresis for switching back.
  • a limit line safety line
  • the reset time can also be changed in another way, for example in several stages or continuously.
  • f (X d ) should be zero, ie the reset time is constant in this range and has the value T 1.
  • the readjustment time can either decrease with increasing control difference in order to increase the effect of the surge limit control with increasing danger for the compressor, or decrease abruptly when a limit is exceeded and increase again with increasing control difference in order to not impermissibly the controller with increasing control difference to design quickly.
  • a combination of both methods can also be used, ie with an increasing control difference the reset time initially decreases and increases again above a limit.
  • PI controller proportional and integral controller
  • FIG. 2 shows a proportional and integral controller (PI controller) as a parallel connection of a proportional controller 10a and an integral controller 10b.
  • PI controller can be represented in this way, even if the controller is implemented in a different form, for example as a software algorithm in a digital controller.
  • a limiter can also be provided in the control unit 25, which has the effect that the reset time can neither be greater than that of the stably set controller, nor can it be so short that the relief valve can no longer follow due to its finite actuating speed.
  • the methods can also be used with other control algorithms with time-dependent changes.
  • control device 3 to 7 show further exemplary embodiments of the control device according to the invention.
  • the entire control loop is not shown here, but only the section between the formation of the control difference X d (from the setpoint W and the actual value X) and the controller output y.
  • the limit value stage 27 is set to the distance between the bleed line and the safety line. If the limit value is reached, the relay 29 switches to the other time constant T N2 .
  • the time constant is adapted as an expression T N / X d to the input signal of the controller.
  • the limiter 31 ensures that certain limits are neither exceeded nor undershot.
  • a switch is made from T N1 to T N2 when the switching threshold is reached. If the control difference X d continues to increase, the effective readjustment time T N increases again depending on the output of the function generator. Alternatively, the reset time T N2 can also be omitted; the function generator is then set so that T N first decreases and then increases again.
  • FIG. 6 shows an arrangement in which the limit value stage 27 drives a pulse element 35 when a limit value is exceeded.
  • the pulse element 35 then outputs a larger or more smaller pulses or a ramp to the integrator 37.
  • the relay 41 can also be followed by a time limiter 39, which limits the influence of c on a fixed time period or dependent on another parameter.
  • the position of the working point is determined by the detection of the final pressure and the throughput in the described embodiments
  • other variables such as the pressure ratio between the final and suction pressure can also be used for the detection of the working point or the definition of the characteristic map in a manner known per se.
  • the speed, the guide vane position, the power, the input signal of the controller 10 or the output signal of a process controller are used.
  • the map can be determined by other parameters, such as the adiabatic delivery head (instead of the final pressure) and the intake volume flow (instead of the suction-side pressure difference) are determined.
  • the surge line has a clear course in the map, so that the blow-off and safety line can also be clearly defined in relation to the surge line.

Abstract

Bei der Pumpgrenzregelung eines Turbokompressors mit einem Regler (10), der anhand der Lage des Arbeitspunktes relativ zu einer im Kennfeld vorgegebenen Abblaselinie das progressive Öffnen oder Schließen eines Abblase­ventils (19) steuert, wird bei Annäherung an die Pumpgrenze ein Schnellöffnen des Abblaseventils dadurch bewirkt, daß der Integralteil (10b) des Reglers mit einem Korrektur­signal beaufschlagt wird.

Figure imgaf001
In the surge limit control of a turbocompressor with a controller (10), which controls the progressive opening or closing of a relief valve (19) based on the position of the working point relative to a blow-off line specified in the map, the blow-off valve is opened quickly when the surge limit is approached, that the integral part (10b) of the controller is acted upon by a correction signal.
Figure imgaf001

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Regeln eines Turbokompressors, von der im Oberbegriff des An­spruchs 1 angegebenen Art. Eine Einrichtung dieser Art ist aus US-PS 4 142 838 bekannt.The invention relates to a device for regulating a turbo compressor, of the type specified in the preamble of claim 1. A device of this type is known from US Pat. No. 4,142,838.

Als Pumpen bezeichnet man einen instabilen Zustand eines Turbokompressors, bei welchem Fördermedium stoßweise oder periodisch von der Druckseite zur Saugseite zurück­strömt. Im Kennfeld des Kompressors kann eine Pumpgrenz­linie definiert werden, die den stabilen vom instabilen Bereich trennt. Zum Zwecke der Pumpgrenzregelung wird im Kennfeld eine Abblaselinie definiert, die in einem Sicher­heitsabstand von der Pumpgrenzlinie verläuft. Der momen­tane Arbeitspunkt des Kompressors im Kennfeld wird er­faßt, und bei Annäherung des Arbeitspunktes an die Ab­blaselinie wird vom Regler ein an den Kompressorausgang angeschlossenes Abblase- oder Umblaseventil mehr oder weniger geöffnet, um den Enddruck zu senken, bevor sich der Arbeitspunkt dem instabilen Bereich nähert. Bei schnellen Änderungen des Arbeitspunktes spricht diese Regelung aber nicht rasch genug an, so daß der Arbeits­punkt die Abblaselinie überschreiten und gegebenenfalls die Pumpgrenzlinie erreichen kann. Um dies zu verhin­dern ist vorgesehen, daß dann, wenn der Arbeitspunkt eine Sicherheitslinie überschreitet, die mit der Abblase­linie identisch sein oder zwischen dieser und der Pump­grenzlinie liegen kann, ein zusätzliches Signal erzeugt wird, welches ein schnelles, vollständiges oder teilwei­ses Öffnen des Abblaseventils steuert.Pumping is an unstable condition of a turbo compressor, in which the pumped medium flows back intermittently or periodically from the pressure side to the suction side. A surge limit line can be defined in the characteristic map of the compressor, which separates the stable from the unstable range. For the purpose of the surge limit control, a blow-off line is defined in the map, which runs at a safety distance from the surge limit line. The current operating point of the compressor in the map is recorded, and when the operating point approaches the blow-off line, the regulator opens a blow-off or blow-off valve connected to the compressor outlet more or less in order to lower the final pressure before the operating point approaches the unstable area. At However, this regulation does not respond quickly enough to changes in the working point so that the working point can cross the blow-off line and possibly reach the surge limit line. In order to prevent this, it is provided that when the operating point exceeds a safety line which may be identical to the blow-off line or may lie between this and the surge line, an additional signal is generated which controls a rapid, complete or partial opening of the blow-off valve.

Bei der aus US-PS 4 142 838 bekannten Einrichtung wird dieses zusätzliche Signal auf das Ausgangssignal des Reg­lers aufaddiert. Hierbei entsteht das Problem, daß dieses Korrektursignal nach dem Abklingen der Störung wieder un­wirksam gemacht werden muß. Dies wird bei der bekannten Einrichtung dadurch erreicht, daß man das Korrektursig­nal nach einer Zeitfunktion abklingen läßt. Deren Zeit­konstante muß auf das Regelverhalten des Reglers abge­stimmt sein, da das Abklingen des Korrektursignals eine Störung für den Regelkreis bedeutet, die vom Regler wieder korrigiert werden muß. Während dieser Abklingzeit befindet sich der Arbeitspunkt des Kompressors jenseits der Abblaselinie.In the device known from US Pat. No. 4,142,838, this additional signal is added to the output signal of the controller. This creates the problem that this correction signal must be made ineffective again after the disturbance has subsided. This is achieved in the known device by allowing the correction signal to decay after a time function. Their time constant must be matched to the control behavior of the controller, since the decay of the correction signal means a disturbance for the control circuit, which must be corrected again by the controller. During this decay time, the operating point of the compressor is beyond the blow-off line.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­tung der genannten Art so weiter zu bilden, daß mit ein­fachen Mitteln eine verzögerungsfreie Einwirkung des Korrektursignals auf das Abblaseventil erreicht wird, ohne daß besondere Maßnahmen zur nachträglichen Kompen­sation des Korrektursignals nötig sind,und ohne daß der Arbeitspunkt unnötig lange jenseits der Abblaselinie liegt.The invention has for its object to develop a device of the type mentioned so that a delay-free action of the correction signal on the relief valve is achieved with simple means, without special measures for subsequent compensation of the correction signal are necessary, and without the operating point unnecessarily long beyond the blow-off line.

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhaftere weitere Ausgestaltungen.The solution to the problem is specified in claim 1. The subclaims relate to more advantageous further developments.

Durch direkte Beaufschlagung des Integralteils des Reg­lers mit dem Korrektursignal wird dieses unverzögert auf den Reglerausgang weitergegeben, um eine Schnell­öffnung des Abblaseventils zu bewirken. Dabei nimmt das Reglerausgangssignal sofort mindestens annähernd den Wert an, den es nach Beendigung der Störung haben muß, d.h. eine längere Kompensationszeit, während der sich der Reg­ler über das jenseits der Abblaselinie arbeitende Kom­pressorsystem auf den neuen Wert nachregeln muß, entfällt.By applying the correction signal directly to the integral part of the controller, the correction signal is passed on without delay to the controller output in order to cause the relief valve to open quickly. The controller output signal immediately assumes at least approximately the value that it must have after the fault has ended, i.e. there is no longer a compensation time during which the controller has to readjust to the new value via the compressor system working beyond the blow-off line.

In einer alternativen Ausführungsform wird das Korrektur­signal dem Integralteil als Steuersignal zugeführt und die Integrationszeitkonstante (Nachstellzeit) in Abhängigkeit von der Lage des Arbeitspunktes verändert. Auf diese Wei­se wird in kritischen Betriebssituationen ein schnelles Ansprechen des Reglers sichergestellt, da bei Überschrei­ten der Sicherheitslinie die Nachstellzeit des Reglers vermindert wird.In an alternative embodiment, the correction signal is fed to the integral part as a control signal and the integration time constant (readjustment time) is changed as a function of the position of the operating point. This ensures that the controller responds quickly in critical operating situations, since the reset time of the controller is reduced if the safety line is exceeded.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeich­nungen näher erläutert.

  • Fig. 1 zeigt vereinfacht das Schema einer ersten Aus­führungsform der Erfindung, in der das Korrektur­signal dem Integralteil direkt zugeführt wird.
  • Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform, in der das Korrektursignal zur Veränderung der Nach­stellzeit des Reglers dient.
  • Fig. 3-7 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings.
  • 1 shows a simplified diagram of a first embodiment of the invention in which the correction signal is fed directly to the integral part.
  • Fig. 2 shows an alternative embodiment in which the correction signal is used to change the reset time of the controller.
  • 3-7 show further embodiments of the invention.

Das Ausgangssignal Y eines integral-proportionalen Reg­lers ist eine Funktion der Integrationszeitkonstanten (Nachstellzeit) TN, der Proportionalverstärkung KP und der Regeldifferenz Xd:

Figure imgb0001
The output signal Y of an integral proportional controller is a function of the integration time constant (reset time) T N , the proportional gain KP and the control difference X d :
Figure imgb0001

Bei gegebenen Werten von KP und TN, bestimmt durch die Stabilitätsforderungen im gesamten Arbeitsbereich, ver­ändert sich Y nur langsam, solange Xd kleine Werte an­nimmt.Given values of KP and T N , determined by the stability requirements in the entire work area, Y changes only slowly as long as X d takes small values.

Die Regeldifferenz Xd, d.h. der Abstand zwischen Arbeits­punkt und Abblaselinie, ist in der Nähe der Abblaselinie relativ klein und demzufolge erfolgt die Änderung des Reglerausgangssignals Y nur langsam. Dies widerspricht aber der Forderung, daß beim Überschreiten der Abblase­linie der Regler schnell reagieren soll.The control difference X d , ie the distance between the working point and the blow-off line, is relatively small in the vicinity of the blow-off line, and consequently the change in the controller output signal Y takes place only slowly. However, this contradicts the requirement that the controller should react quickly when the blow-off line is exceeded.

Gemäß der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung wird deshalb beim Überschreiten der Abblase­linie eine Korrekturgröße auf den Integralteil des Reg­lers geschaltet, so daß sich der Ausgang des Reglers schnell verändert und das nachgeschaltete Abblaseventil entsprechend schnell auslöst.According to the first embodiment of the invention shown in FIG. 1, a correction variable is therefore switched to the integral part of the controller when the blow-off line is exceeded, so that the output of the controller changes quickly and the downstream blow-off valve is triggered accordingly quickly.

Im Ansaugstutzen 1 eines Kompressors K wird durch Meß­fühler 3, 5 die Druckdifferenz vor und hinter einer Dros­selblende gemessen und daraus in einem Meßumformer 7 ein Ist-Wert für den saugseitigen Durchsatz V gebildet. Ein Meßfühler 9 mit Meßumformer 11 erfaßt den Enddruck P des Kompressors. Diese Ist-Werte werden einem Rechner 13 eingegeben, an den ein Speicher 15 angeschlossen ist, in welchem der Verlauf der Pumpgrenzlinie P und/oder einer im Sicherheitsabstand davon verlaufenden Abblase­linie A, bzw. einer zwischen den Linien P und A verlaufen­den Sicherheitslinie gespeichert ist.In the intake manifold 1 of a compressor K, the pressure difference in front of and behind a throttle orifice is measured by sensors 3, 5 and an actual value for the suction-side throughput V is formed therefrom in a transmitter 7. A sensor 9 with transmitter 11 detects the final pressure P of the compressor. These actual values are input to a computer 13, to which a memory 15 is connected, in which the course of the surge line P and / or a blow-off line A running at a safety distance therefrom, or a safety line running between the lines P and A is stored.

Der Rechner 13 bestimmt den Abstand des durch P und V definierten Arbeitspunktes von der Abblaselinie A und erzeugt entsprechend diesem Abstand ein Soll-Wert-Signal, welches in einem Differenzglied 17 mit dem Ist-Wert-Sig­nal verglichen wird, um ein Eingangssignal für den Reg­ler 10 zu bilden. Dieser umfaßt mindestens einen Propor­tionalteil 10a und einen Integralteil 10b und kann auch einen Differentialteil 10c aufweisen. Das Ausgangssignal des Reglers 10 steuert ein vom Kompressorausgang abzwei­gendes Abblaseventil 19.The computer 13 determines the distance between P and V defined operating point from the blow-off line A and generates a desired value signal according to this distance, which is compared in a difference element 17 with the actual value signal to form an input signal for the controller 10. This comprises at least a proportional part 10a and an integral part 10b and can also have a differential part 10c. The output signal of the controller 10 controls a relief valve 19 branching off from the compressor output.

Überschreitet der Arbeitspunkt die Abblaselinie A bzw. die oben erwähnte Sicherheitslinie, so erzeugt der Rech­ner 13 zusätzlich ein Signal, welches in einer Signal­formerstufe 21 die Erzeugung eines Korrektursignals, z.B. in Form eines oder mehrerer Impulse auslöst, die als Ein­gangssignal in den Integralteil 10b des Reglers einge­geben werden. Hierdurch wird das das Abblaseventil 19 steuernde Ausgangssignal des Reglers schlagartig reduziert, um eine schnelle Öffnung des Abblaseventils 19 zu bewir­ken, wobei es sich je nach der Stärke des Korrektur­signals um eine Teil- oder Vollöffnung handeln kann.If the operating point exceeds the blow-off line A or the above-mentioned safety line, then the computer 13 additionally generates a signal which in a signal shaping stage 21 generates a correction signal, e.g. in the form of one or more pulses which are input as an input signal into the integral part 10b of the controller. As a result, the output signal of the regulator which controls the relief valve 19 is suddenly reduced in order to bring about a rapid opening of the relief valve 19, which can be a partial or full opening depending on the strength of the correction signal.

Es ist auch möglich, zwischen dem Signalformerglied 21 und dem Integralteil 10b ein Zeitkonstantenglied 23 mit einstellbarer Zeitkonstanten einzufügen, so daß die Änderung des Inhalts des Integratorteils 10b nicht schlag­artig, sondern mit einer einstellbaren Zeitkonstanten erfolgt, die aber unabhängig von dem Zeitverhalten des Reglers 10 ist.It is also possible to insert a time constant element 23 with adjustable time constants between the signal shaping element 21 and the integral part 10b, so that the content of the integrator part 10b is not changed abruptly, but with an adjustable time constant, which is independent of the time behavior of the controller 10 .

Der Signalformerteil 21 kann so ausgebildet sein, daß er das Korrektursignal solange erzeugt, wie der Arbeitspunkt links der Sicherheits- bzw. Abblaselinie liegt. Es ist aber auch möglich, daß die Signalformerstufe 21 einen Korrekturimpuls von definierter, einstellbarer Dauer er­zeugt. Auch können mehrere Impulse hintereinander erzeugt werden, die eine Änderung des Integratorinhalts in meh­reren Stufen von einstellbarer Höhe in einstellbaren Zeitabständen bewirken.The signal shaping part 21 can be designed such that it generates the correction signal as long as the working point is to the left of the safety or blow-off line. However, it is also possible for the signal shaping stage 21 to generate a correction pulse of a defined, adjustable duration. Several pulses can also be generated in succession that cause a change in the integrator content in several stages of adjustable height in adjustable time intervals.

Ferner ist es möglich, die Größe des vom Signalumformer 21 erzeugten Korrektursignals oder den Abstand der Im­pulse oder die Zeitkonstante dt in Abhängigkeit vom Eingangssignal des Reglers zu steuern, wie dies durch die gestrichelte Linie der Zeichnung dargestellt ist. Damit kann der Einfluß des Korrektursignals nicht nur davon abhängig gemacht werden, ob die Sicherheitslinie überschritten wird, sondern auch davon, wie weit und/oder mit welcher Geschwindigkeit sie überschritten wird. Diese Beeinflussung kann insbesondere nicht linear erfolgen und auch auf Veränderungen mit nur einem Vorzeichen be­grenzt sein.Furthermore, it is possible to control the size of the correction signal generated by the signal converter 21 or the spacing of the pulses or the time constant dt as a function of the input signal of the controller, as shown by the broken line in the drawing. The influence of the correction signal can thus be made dependent not only on whether the safety line is crossed, but also on how far and / or at what speed it is exceeded. This influence can in particular be non-linear and can also be limited to changes with only one sign.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann die Impulshöhe, die Impulsbreite, der Impulsabstand bzw. das Impuls-­Pausenverhältnis und/oder die Zeitkonstante des Korrek­tursignals in Abhängigkeit von der Lage des Arbeits­punktes im Kennfeld variiert werden.According to a further embodiment, the pulse height, the pulse width, the pulse spacing or the pulse-pause ratio and / or the time constant of the correction signal can be varied depending on the position of the operating point in the characteristic diagram.

Bei der in Fig. 2 dargestellten alternativen Ausführungs­form der Erfindung wird das Korrektursignal nicht dem Integralteil des Reglers zusätzlich aufgeschaltet, son­dern es dient als Steuersignal zur Veränderung der Nach­stellzeit TN. Dabei wird die Nachstellzeit TN entspre­chend den Erfordernissen stets so angepaßt, daß sich immer eine optimale Verstellung des Reglerausgangssignals Y ergibt.In the alternative embodiment of the invention shown in FIG. 2, the correction signal is not additionally applied to the integral part of the controller, but rather serves as a control signal for changing the reset time T N. The reset time T N is always adjusted according to the requirements so that there is always an optimal adjustment of the controller output signal Y.

Die Anpassung der Nachstellzeit TN erfolgt mittels einer Steuereinheit 25 und kann auf verschiedene Arten durch­geführt werden.The adjustment time T N is adjusted by means of a control unit 25 and can be carried out in various ways.

Im einfachsten Falle wird mit dem Erreichen einer Grenz­linie (Sicherheitslinie) in der Nähe der Abblaselinie auf eine kürzere Nachstellzeit umgeschaltet. Überschreitet der Arbeitspunkt diese Linie in entgegengesetzter Richtung (zum sicheren Kennfeldbereich hin), wird wieder auf die ursprüngliche Nachstellzeit zurückgeschaltet, wobei es unter Umständen erforderlich sein kann, für das Zurückschalten eine Hysterese vorzusehen.In the simplest case, a shorter reset time is reached when a limit line (safety line) is reached near the blow-off line. If the operating point crosses this line in the opposite direction (towards the safe map area), the system switches back to the original reset time, whereby it may be necessary to provide a hysteresis for switching back.

Die Nachstellzeit kann auch in anderer Weise verändert wer­den, z.B. in mehreren Stufen oder kontinuierlich. Ganz allgemein ist die Nachstellzeit TN eine Funktion der Re­geldifferenz Xd
TN = T₁ + f (Xd).The reset time can also be changed in another way, for example in several stages or continuously. In general, the reset time T N is a function of the control difference X d
T N = T₁ + f (X d ).

Für Regeldifferenzen im stabilen Arbeitsbereich soll dabei f (Xd) Null sein, d.h. die Nachstellzeit ist in diesem Be­reich konstant und hat den Wert T₁. Im "gefährlichen Be­reich" kann die Nachstellzeit entweder mit zunehmender Re­geldifferenz abnehmen, um mit zunehmender Gefahr für den Kompressor die Wirkung der Pumpgrenzregelung zu verstär­ken, oder beim Überschreiten einer Grenze sprungförmig ab­nehmen und mit zunehmender Regeldifferenz wieder zunehmen, um den Regler bei zunehmender Regeldifferenz nicht unzu­lässig schnell zu gestalten. Ferner kann auch eine Kombi­nation aus beiden Methoden angewandt werden, d.h. mit zunehmender Regeldifferenz nimmt die Nachstellzeit zu­nächst ab und oberhalb einer Grenze wieder zu.For control differences in the stable working range, f (X d ) should be zero, ie the reset time is constant in this range and has the value T 1. In the "dangerous area", the readjustment time can either decrease with increasing control difference in order to increase the effect of the surge limit control with increasing danger for the compressor, or decrease abruptly when a limit is exceeded and increase again with increasing control difference in order to not impermissibly the controller with increasing control difference to design quickly. Furthermore, a combination of both methods can also be used, ie with an increasing control difference the reset time initially decreases and increases again above a limit.

In Fig. 2 ist ein Proportional- und Integralregler (PI-Reg­ler) als Parallelschaltung aus einem Proportionalregler 10a und einem Integralregler 10b dargestellt. Jeder PI-­Regler läßt sich derartig darstellen, auch wenn der Regler in einer anderen Form realisiert ist, z.B. als Softwarealgorithmus in einem Digitalregler.2 shows a proportional and integral controller (PI controller) as a parallel connection of a proportional controller 10a and an integral controller 10b. Each PI controller can be represented in this way, even if the controller is implemented in a different form, for example as a software algorithm in a digital controller.

Der variable Integralteil ist durch eine Steuereinheit 25 pauschal dargestellt. Dabei erfüllt die Steuereinheit 25 zwei Aufgaben:

  • 1. Festellung der Regeldifferenz und
  • 2. Einstellen der Nachstellzeit gemäß der Formel TN=T₁+f(Xd).
The variable integral part is generally represented by a control unit 25. The control unit 25 fulfills two tasks:
  • 1. Determination of the control difference and
  • 2. Setting the reset time according to the formula T N = T₁ + f (X d ).

Zusätzlich kann in der Steuereinheit 25 noch ein Begrenzer vorgesehen sein, der bewirkt, daß die Nachstellzeit weder größer werden kann als die des stabil eingestellten Reglers, noch so klein werden kann, daß das Abblaseventil aufgrund seiner endlichen Stellgeschwindigkeit nicht mehr folgen kann. Selbstverständlich können die Verfahren auch bei ande­ren Regelalgorithmen mit zeitabhängigen Änderungen ange­wendet werden.In addition, a limiter can also be provided in the control unit 25, which has the effect that the reset time can neither be greater than that of the stably set controller, nor can it be so short that the relief valve can no longer follow due to its finite actuating speed. Of course, the methods can also be used with other control algorithms with time-dependent changes.

Zusammengefaßt gilt für das erfindungsgemäße Verfahren bzw. Einrichtung, daß mit dem Erreichen eines kritischen Betriebszustandes der integrale Term im Regler direkt und gesteuert verstellt wird. Dies erfolgt auf zwei ver­schiedene Arten:

  • a) Der integrale Term wird direkt durch einen Steuer­eingriff geändert, d.h. der Ausdruck
    Figure imgb0002
    ändert sich sprungartig, bzw. in einer Rampe.
  • b) Die schnelle Änderung des Reglerausgangs erfolgt durch eine Reduktion der Größe TN.
In summary, it applies to the method or device according to the invention that the integral term in the controller is adjusted directly and in a controlled manner when a critical operating state is reached. This is done in two different ways:
  • a) The integral term is changed directly by a control intervention, ie the expression
    Figure imgb0002
    changes abruptly or in a ramp.
  • b) The controller output is changed quickly by reducing the size T N.

Während bei a) steuernd auf das Integral eingewirkt wird, wird bei b) ein Reglerparameter verändert.While the integral has a controlling effect in a), a controller parameter is changed in b).

Die technische Realisation kann dabei sowohl analog, als auch digital erfolgen:

  • a) Bei einem analogen Regler ist das zeitbestimmende Element ein Kondensator; der Wert I des Integrals entspricht der Spannung über dem Kondensator. Eine sprungförmige Änderung des Integralteils erfolgt durch schlagartiges Entladen des Kondensators um einen vorgegebenen Betrag.
    Bei einem digitalen Regler liegt I als Zahlenwert vor, und die sprungförmige Änderung erfolgt durch einfache Addition oder Subtraktion. In digitalen Reglern wird häufig der sogenannte "rekursive Algorithmus" verwendet, bei dem der Reglerausgang zum Zeitpunkt t durch
    Figure imgb0003
     gegeben ist, wobei Ts die Abtastzeit des Reglers ist. Bei der sprungförmigen Änderung wird ein zu­sätzlicher Term zu der obigen Gleichung addiert.
  • b) Die Veränderung der Zeitkonstanten kann im analogen Regler z.B. durch ein steuerbares elektrisches zeit­bestimmendes Element (Widerstand, Kondensator) er­folgen, das mit dem Erreichen der Sicherheitsgrenze zu- bzw. weggeschaltet wird. Bei dem digitalen Regler wird wieder ein Zahlenwert geändert.
    Eine andere Möglichkeit besteht darin, Kp oder Xd zu verstärken. Wesentlich ist dabei, daß die Ver­stärkung nur im Ingetralterm wirksam wird.
The technical implementation can take place both analog and digital:
  • a) With an analog controller, the time-determining element is a capacitor; the value I of the integral corresponds to the voltage across the capacitor. A sudden change in the integral part takes place by suddenly discharging the capacitor by a predetermined amount.
    In the case of a digital controller, I is a numerical value, and the jump-like change is made by simple addition or subtraction. The so-called "recursive algorithm" is frequently used in digital controllers, in which the controller output is switched off at time t
    Figure imgb0003
     is given, where T s is the sampling time of the controller. With the step change, an additional term is added to the above equation.
  • b) The time constant can be changed in the analog controller, for example by a controllable electrical time-determining element (resistor, capacitor) which is switched on or off when the safety limit is reached. A numerical value is changed again for the digital controller.
    Another possibility is to amplify K p or X d . It is essential that the reinforcement is only effective in the ingot term.

In den Fig. 3 bis 7 sind weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung dargestellt. Dabei ist nicht der gesamte Regelkreis wiedergegeben, sondern nur der Ausschnitt zwischen der Bildung der Regeldifferenz Xd (aus dem Sollwert W und dem Istwert X) und dem Regler­ausgang y.3 to 7 show further exemplary embodiments of the control device according to the invention. The entire control loop is not shown here, but only the section between the formation of the control difference X d (from the setpoint W and the actual value X) and the controller output y.

In Fig. 3 ist die Grenzwertstufe 27 auf den Abstand zwi­schen Abblasse- und Sicherheitslinie eingestellt. Wird der Grenzwert erreicht, schaltet das Relais 29 auf die ande­re Zeitkonstante TN2 um.In FIG. 3, the limit value stage 27 is set to the distance between the bleed line and the safety line. If the limit value is reached, the relay 29 switches to the other time constant T N2 .

Gemäß Fig. 4 wird die Zeitkonstante als Ausdruck TN / Xd an das Eingangssignal des Reglers angepaßt. Der Begrenzer 31 stellt sicher, daß gewisse Grenzen weder über- noch unterschritten werden.4, the time constant is adapted as an expression T N / X d to the input signal of the controller. The limiter 31 ensures that certain limits are neither exceeded nor undershot.

Bei der Anordnung nach Fig. 5 wird bei Erreichen der Schaltschwelle von TN1 auf TN2 umgeschaltet. Steigt die Regeldifferenz Xd weiter an, wird die wirksame Nachstell­zeit TN in Abhängigkeit vom Ausgang des Funktionsgebers wieder größer. Alternativ kann auch die Nachstellzeit TN2 weggelassen werden; der Funktionsgeber wird dann so ein­gestellt, daß TN zunächst abnimmt und dann wieder zunimmt.In the arrangement according to FIG. 5, a switch is made from T N1 to T N2 when the switching threshold is reached. If the control difference X d continues to increase, the effective readjustment time T N increases again depending on the output of the function generator. Alternatively, the reset time T N2 can also be omitted; the function generator is then set so that T N first decreases and then increases again.

Fig. 6 zeigt eine Anordnung, in der mit dem Überschreiten eines Grenzwertes die Grenzwertstufe 27 ein Impulsglied 35 ansteuert. Das Impulsglied 35 gibt dann einen größeren oder mehrere kleinere Impulse bzw. eine Rampe auf den Integrator 37.FIG. 6 shows an arrangement in which the limit value stage 27 drives a pulse element 35 when a limit value is exceeded. The pulse element 35 then outputs a larger or more smaller pulses or a ramp to the integrator 37.

Eine Anordnung, bei der statt einer Verkleinerung der Größe TN eine Multiplikation des Terms

Figure imgb0004
mit einer Konstanten K vorgesehen ist, ist in Fig. 7 dar­gestellt. Bei Erreichen des Grenzwertes steuert die Grenz­wertstufe 27 ein Relais 41 an, das von K = 1 auf K = C » 1, d.h. auf einem wesentlich größeren Wert, umschaltet. Dies ist gleichbedeutend mit einer Verkleinerung von TN.An arrangement in which instead of reducing the size T N, the term is multiplied
Figure imgb0004
 is provided with a constant K is shown in Fig. 7. When the limit value is reached, the limit value stage 27 controls a relay 41 which switches from K = 1 to K = C »1, ie to a much larger value. This is equivalent to a reduction in T N.

Dem Relais 41 kann auch ein zeitlicher Begrenzer 39 nach­geschaltet sein, der dem Einfluß von c auf eine feste oder von einem anderen Parameter abhängige Zeitdauer begrenzt.The relay 41 can also be followed by a time limiter 39, which limits the influence of c on a fixed time period or dependent on another parameter.

Während in den beschriebenen Ausführungsformen die Lage des Arbeitspunktes durch die Erfassung des Enddrucks und des Durchsatzes bestimmt wird, können für die Erfas­sung des Arbeitspunktes, bzw. die Definition des Kenn­feldes in an sich bekannterer Weise auch andere Größen wie das Druckverhältnis zwischen End- und Saugdruck, die Drehzahl, die Leitschaufelstellung, die Leistung, das Eingangssignal des Reglers 10 oder das Ausgangssignal eines Prozeßreglers herangezogen werden. Insbesondere kann das Kennfeld durch andere Parameter, wie z.B. die adiabate Förderhöhe (statt des Enddrucks) und den Ansaug­volumenstrom (anstelle der saugseitigen Druckdifferenz) bestimmt werden. In jedem Fall hat die Pumpgrenze einen eindeutigen Verlauf im Kennfeld, so daß auch die Abblase­und Sicherheitslinie in Bezug auf die Pumpgrenze eindeu­tig festlegbar sind.While the position of the working point is determined by the detection of the final pressure and the throughput in the described embodiments, other variables such as the pressure ratio between the final and suction pressure can also be used for the detection of the working point or the definition of the characteristic map in a manner known per se. the speed, the guide vane position, the power, the input signal of the controller 10 or the output signal of a process controller are used. In particular, the map can be determined by other parameters, such as the adiabatic delivery head (instead of the final pressure) and the intake volume flow (instead of the suction-side pressure difference) are determined. In any case, the surge line has a clear course in the map, so that the blow-off and safety line can also be clearly defined in relation to the surge line.

Claims (12)

1. Einrichtung zum Regeln eines Turbokompressors zur Verhinderung des Pumpens, mit Meßgebern zur Erfassung des Ist-Wertes einer oder mehrerer für den Arbeitspunkt des Kompressors charakteristischen Betriebsgrößen, ins­besondere Enddruck und Durchsatz,
Soll-Wert-Gebern mit vorgegebenem Verlauf mit mindestens einer Abblaselinie im Kompressorkennfeld,
einem in Abhängigkeit von Ist- und Soll-Wert ein konti­nuierliches Stellsignal für das Öffnen eines Abblaseven­tils erzeugenden Regler, der mindestens ein Proportional­teil und ein Integralteil und gegebenenfalls einen Diffe­rentialteil aufweist,
und einer bei Überschreiten der Abblaselinie oder einer Sicherheitslinie im Kennfeld ein Korrektursignal für das Schnellöffnen des Abblaseventils erzeugenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrektur­signal dem Integralteil (10b) des Reglers (10) als Ein­gangssignal oder als ein die Nachstellzeit des Integral­teils beeinflussendes Steuersignal zugeführt wird.1. Device for regulating a turbocompressor to prevent pumping, with measuring sensors for recording the actual value of one or more operating variables characteristic of the operating point of the compressor, in particular final pressure and throughput,
Setpoint sensors with a predetermined course with at least one blow-off line in the compressor map,
a controller which generates a continuous control signal for opening a relief valve as a function of the actual and target value and which has at least one proportional part and one integral part and, if appropriate, one differential part,
and when the blow-off line or a safety line in the map is exceeded, a correction signal for the rapid opening of the blow-off valve generating device, characterized in that the correction signal is supplied to the integral part (10b) of the controller (10) as an input signal or as a control signal influencing the readjustment time of the integral part . 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Korrektursignal dem Integral­teil (10b) über ein Zeitkonstantenglied (23) mit einstell­barer Zeitkonstante zugeführt ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the correction signal is supplied to the integral part (10b) via a time constant element (23) with an adjustable time constant. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Korrektursignal solan­ge ansteht, wie der Arbeitspunkt oberhalb der Abblase-­bzw. Sicherheitslinie liegt.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the correction signal is present as long as the operating point above the blow-off or. Security line lies. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß das Korrektursignal eine vorgegebene, einstellbare Dauer hat.4. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the correction signal has a predetermined, adjustable duration. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Korrektursignal eine Änderung des Inhalts des Integratorteils (10b) in mehreren Stufen von einstellbarer Höhe in einstellbaren Zeitabständen bewirkt.5. Device according to claim 1, characterized in that the correction signal causes a change in the content of the integrator part (10b) in several stages of adjustable height in adjustable time intervals. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­durch gekenzeichnet, daß die Größe des Korrektursignals oder der Abstand der Korrekturimpulse oder die Zeitkonstante vom Eingangssignal des Reglers (10) abhängig ist.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the size of the correction signal or the distance of the correction pulses or the time constant is dependent on the input signal of the controller (10). 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Korrektursignal nichtliniear vom Eingangssignal des Reglers (10) abhängt.7. Device according to claim 6, characterized in that the correction signal depends non-linearly on the input signal of the controller (10). 8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­durch gekennzeichnet, daß die Größe des Korrektursignals, der zeitliche Verlauf der Impulsfolge, die Höhe der Einzelimpulse oder die Zeitkonstante von der Lage des Arbeitspunktes im Kennfeld abhängig ist.8. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the size of the correction signal, the time course of the pulse train, the level of the individual pulses or the time constant depends on the position of the operating point in the map. 9. Verfahren zum Regeln eines Turbokompressors zum Verhindern des Pumpens, wobei die Lage des Arbeits­punktes des Kompressors relativ zu einer im Kennfeld definierten Abblaselinie erfaßt und entsprechend der Annäherung des Arbeitspunktes und die Abblaselinie ein Abblase- oder Umblaseventil mittels eines einen Integralteil aufweisenden Reglers geregelt wird, und wobei bei Überschreiten der Abblaselinie oder einer ihr zugeordneten Sicherheitslinie ein zusätzliches Signal zum Schnellöffnen des Ventils erzeugt wird, dadurch ge­kennzeichnet, daß das zusätzliche Signal dem Integralteil des Reglers als Eingangs- oder Steuer­signal zugeführt und das Schnellöffnen des Ventils durch das Ausgangssignal des Reglers bewirkt wird.9. A method for regulating a turbocompressor for preventing pumping, the position of the operating point of the compressor being detected relative to a blow-off line defined in the characteristic diagram and a blow-off or blow-off valve being regulated by means of a controller having an integral part, in accordance with the approach of the working point and the blow-off line. and wherein when the blow-off line or a safety line assigned to it is exceeded, an additional signal for quick opening of the valve is generated, characterized in that the additional signal is supplied to the integral part of the controller as an input or control signal and the quick opening of the valve is effected by the output signal of the controller . 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Nachstellzeit eine Funktion der Regeldifferenz ist, wenn der Arbeitspunkt sich ober­halb der Sicherheitslinie befindet.10. The method according to claim 9, characterized in that the reset time is a function of the control difference when the working point is above the safety line. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Veränderung der Nach­stellzeit im Bereich der Sicherheitslinie mit einer Hysterese erfolgt.11. The method according to claim 9 or 10, characterized in that the change in the reset time in the area of the safety line is carried out with a hysteresis. 12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Nachstellzeit auf einen Be­reich zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert begrenzt ist.12. The method according to claim 9, characterized in that the reset time is limited to a range between a minimum and a maximum value.
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